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分享:鋼制齒輪表面點坑狀缺陷產生原因分析

2023-10-26 10:16:45 

摘 要:某20CrNi2Mo鋼制齒輪服役一段時間后,齒面出現(xiàn)了較多點坑狀缺陷.采用宏觀分 析、掃描電鏡分析、金相檢驗等方法對該齒輪缺陷出現(xiàn)的原因進行了分析.結果表明:齒面及齒頂 凹凸不平的點坑狀缺陷均由電蝕所致.電蝕使得局部油膜無法建立,加之電蝕放電后形成高硬、高 脆的淬火馬氏體,在循環(huán)嚙合作用下齒輪發(fā)生磨損并出現(xiàn)接觸疲勞剝落.

關鍵詞:齒輪;電蝕;摩擦;磨損;馬氏體

中圖分類號:TH132.41 文獻標志碼:B 文章編號:1001G4012(2019)10G0737G04


近十年來,隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展,高 寒、高速、重載等工況日益復雜化,作為重要傳動件 的齒輪失效事故也日益增多.齒輪的失效形式多種 多樣,常見的有齒面磨損、點蝕、塑性變形、折齒、疲 勞斷裂、偏載、電蝕等[1G6].

某線路地鐵滲碳鋼齒輪材料為20CrNi2Mo鋼, 熱處理工藝為滲碳淬火+低溫回火,服役一段時間 后拆檢時發(fā)現(xiàn)齒面存在較多點坑狀缺陷.為查明該 齒輪出現(xiàn)缺陷的原因,筆者對其進行了檢驗和分析.

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

宏觀觀察齒輪的齒面未見塑性變形、異常磨損、 偏載、斷裂現(xiàn)象,圖1中箭頭所指處為齒面缺陷較為嚴重的齒條.

經(jīng)拆解清洗后,從動齒輪的宏觀形貌如圖2所 示.齒面缺陷特征主要表現(xiàn)為以下幾方面:①整體 呈 L型或 Z型等;②表面存在明顯的回火特征,局 部呈藍色或淡黃色;③內部呈點坑狀熔融態(tài)特征;④ 部分缺陷分布于齒頂處,值得注意的是,齒頂在齒輪 傳動過程中為非嚙合區(qū);⑤缺陷周圍齒面磨加工痕 跡清晰可見,未見明顯異常;⑥非缺陷區(qū)域齒面完好,未發(fā)現(xiàn)偏載、偏磨現(xiàn)象.

主動齒輪的宏觀形貌如圖3所示.齒面缺陷特 征主要表現(xiàn)為兩方面:①缺陷呈 Z 型分布,內部呈 點坑狀熔融特征且伴有回火色,缺陷周圍齒面形貌 完好(I處);②齒面局部出現(xiàn)了斑痕類磨損區(qū)域(II處).值得注意的是,該磨損區(qū)與從動齒輪齒面的斑 痕位置恰好對應.

1.2 掃描電鏡分析

對上述從動齒輪和主動齒輪的4處缺陷取樣, 使用SG3700N 型掃描電鏡進行觀察.可見從動齒 輪齒面和齒頂處缺陷均表現(xiàn)為熔融態(tài)特征,有云形 花樣且熔滴局部呈濺射狀,見 圖 4 和 圖 5.GB/T 3481-1997«齒輪輪齒磨損和損傷術語»指出:“電蝕 是由于齒輪嚙合齒面間放射出的電弧或電火花的作 用,在齒輪齒面上形成的許多邊緣光滑的小弧坑,有 融熔放電特征,齒面有時也會出現(xiàn)較大面積灼傷,其 邊緣呈現(xiàn)出回火色.”結合宏觀分析結果可判定,從 動齒輪齒面出現(xiàn)了典型的電蝕現(xiàn)象,這與文獻[7]所 述電蝕形貌也是吻合的.

主動齒輪缺陷微觀特征與從動齒輪的相同,見 圖6.主動齒輪斑痕類磨損區(qū)微觀形貌呈點狀剝離 小坑,坑底比較平滑,具有疲勞磨損特征,見圖 7. 這是由于嚙合齒面發(fā)生電蝕后,在隨后的運行過程 中,缺陷處油膜無法建立,局部發(fā)生疲勞破壞所致.

1.3 金相檢驗

使用光學顯微鏡對缺陷處試樣進行顯微組織觀察.從動齒輪齒面缺陷處呈凹陷狀,局部存在凸起, 表面組織為白亮的淬火馬氏體,次表層回火特征明 顯,腐蝕易變色,見圖8.對其進行硬度測試發(fā)現(xiàn), 表層白亮組織硬度約為750HV0.1(62.5HRC),次 表層深 色 組 織 硬 度 為 500~600 HV0.1(49.5~ 55.5HRC),再 次 表 層 硬 度 則 回 歸 正 常,約 為 650HV0.1(58.5HRC).從 動 齒 輪 齒 頂 附 近 缺 陷 處顯微組織特征同上,局部有微裂紋萌生,裂紋深度 較淺,僅限于淬火馬氏體范圍內,見圖9.主動齒輪 齒面缺陷處顯微組織特征也同上,白亮層深度略淺, 見圖10.主動齒輪斑痕磨損區(qū)具有疲勞剝離特征, 與圖7相吻合,裂紋深度較淺(約10μm),表面存在 很淺(約 1μm)的一 層 白 亮 組 織,見 圖 11.此 外, 主、從動齒輪正常部位的檢測結果均滿足相關技術 要求.

2 分析與討論

由上述分析可知,齒輪齒面發(fā)生了電蝕,局部油 膜無法建立進而導致疲勞磨損.電蝕示意圖見圖 12 [8],以齒輪為例,主、從動齒輪在相互嚙合運轉時, 電流在其接觸區(qū)域內流動,接觸區(qū)內的非接觸部分 則會擊穿潤滑油膜形成火花放電,極短時間內造成 局部受熱熔化,甚至焊接在一起,使得齒面燒傷,形 成電弧坑.賀澤龍[9]和胡高舉[10]等從不同角度深 入研究了齒面電蝕產生的機理.電蝕不僅會損壞齒輪本身,而且電蝕磨損產生的微粒會導致潤滑劑變 質,嚴重影響齒輪的使用壽命.

存在電蝕并不是導致齒輪快速失效的唯一原因. 同樣,齒面失效也不完全是由摩擦磨損造成的.齒輪 迅速失效往往是兩者交替復合的結果.電蝕放電后的熔融態(tài)金屬在潤滑液激冷作用下形成白亮層,該白 亮層為淬火馬氏體,硬度高、脆性大,在摩擦磨損過程 中極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴展,使得局部金屬脫 落.加之電蝕坑區(qū)域凸起的部位在反復嚙合中產生 金屬微粒,兩者摻雜在潤滑油里構成研磨劑,惡化了 潤滑環(huán)境,從而加劇齒輪磨損導致其提前失效.

3 結論及建議

(1)該齒輪發(fā)生了電蝕摩擦磨損.齒輪齒面和 齒頂?shù)狞c坑狀缺陷均呈熔融態(tài)特征,顯微組織為高 硬、高脆的淬火馬氏體,極易萌生顯微裂紋并發(fā)生擴 展,加之電蝕使得局部油膜無法建立,導致齒輪在循 環(huán)嚙合作 用 下 發(fā) 生 磨 損,并 出 現(xiàn) 了 接 觸 疲 勞 剝 落 現(xiàn)象.

(2)建議提高輪齒表面的磨加工精度,避免明 顯磨削刀痕的出現(xiàn);保證主、從動齒輪嚙合面之間充分潤滑;可能通過漏電流的齒輪裝置應嚴格絕緣,并 采用合理的接地裝置.


參考文獻:

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[2] 徐濤元.齒輪開裂 失 效 分 析 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2009,45(5):315G317.

[3] 王春亮,楊力,劉樂,等.齒輪的失效分析[J].理化檢 驗(物理分冊),2007,43(7):366G369.

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[5] 龔寄.齒輪失效分析及其故障診斷方法研究[J].裝備 制造技術,2016(8):138G140.

[6] 陳亮,吳剛,譚小明,等.大型從動齒輪油槽開裂原因 分析[J].金屬加工(熱加工),2017(3):14G17.

[7] 潘紫微,羅銘,朱孝錄.齒輪齒面電蝕失效分析[J].機 械傳動,1997,21(3):26G28.

[8] 汪久根,馮蘭蘭,李陽.粗糙表面形貌對電蝕的影響 [J].浙江大學學報(工學版),2015(11):2025G2032.

[9] 賀澤龍,韋云隆,張光輝,等.齒輪齒面電蝕機理[J]. 重慶大學學報,2000,23(6):27G30.

[10] 胡高舉,韋云隆,曹新進,等.齒輪電蝕失效分析[J]. 機械設計與研究,2001,17(1):57G58.



<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗-物理分冊>55卷>10期(pp:737-740)>